Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

2.16, а) или убывать (см. рис. 2.16, 6). рис. Определение силы взаимодеиствия дилокации на единицу ее длины с полями механических напряжений и с другими ди ислокациями изложено в литературе по теории пластичности и прочности. Дислокации, изображенные на рис. с. 2.16, б и 2.17, часто встречаются на границах двух сросшихся монокристаллов, кристаллические решетки которых слегка разорнентированы. Расчеты показывают, что при таком расположении дислокаций минимизируется энергия единицы поверхности раздела двух кристалликов. Взаимодействие дислокаций и точечных дефектов.

Дислокация, особенно Рис. 2.17. Дислокации на поверхности раздела (пункк раевая, создает сильно сжатые и растя- " пе тирная линия) двух сроснутые участки кристалл ре аллической оешетки слегка разорнентнрованнычески выгоднее переместиться крупным атомам примеси замещения, а в сжатые— мелким атомам примеси замещения. Атомам внедрения, особенно крупным, также выгоднее перемещаться в область растяну! той кристаллической решетки вблизи дислокации. В таком случае вблизи дислокации образуется скопление примесей, назы- 2 ваемое «шубой дислокации», которое уменьшает локальную деформацию вблизи дислокации и энергию дислокации.

При пластической деформации сдвинуть с места труднее такую дислокацию, чем дислоРис. 2.18. Энергетически кацию без «шубы», поскольку в первом выгодное расположение лучае дислокация сместится на новое меочечных дефектов вблн-, где энер буд больше. Сч ают, сто, где ее зн дислокации; ч ю отдельные точечные дефекты и их ско- крепляют дислокацию. С исполь- пления зак ныння; 3 — атом внедрения 105 (о аж — ж (о (2.16) Рис. 2.19. Зависимость ме- где 1 — длина образца при воздействии механического напряжения гг, а 1» — первоначальная длина образца.

На рис. 2.19 изображена типичная зависимость меха- ханического напряжения о от относительного удлинения е при растяжении образца 106 зованием электронного микроскопа удается заметить появление крупных атомов примесей вблизи дислокации. В теории прочности появление «зуба текучести» связывают с отрывом дислокации от «шубы», для чего требуется дополнительное воздействие. Участки кристалла с растянутой кристаллической решеткой вблизи дислокации являются своеобразными каналами облегченной диффузии. Известно, что диффузия в сильно деформированных материалах, в которых плотность дислокаций больше, происходит быстрее, чем в недеформированных. Точечные дефекты часто исчезают, попав на край полуплоскости, создающей дислокацию (см.

рис. 2.18); при этом изменяется форма края этой полуплоскости, появляется ступенька. Также считают, что дислокации при движении способны порождать точечные дефекты, особенно вакансии, появляющиеся вблизи края «лишней» плоскости (см. рис. 2.18); при этом изменяется форма края этой полуплоскостн. Линия дислокации в таких процессах, называемых переползанием дислокации, смещается (переползает) на новое место. Пластическая деформация и дислокации. Чтобы придать детали заданные размер и форму, многие материалы в процессе технологической обработки необратимо деформируют. Такие необратимые деформации, называемые пластическими деформациялги, наблюдаются при сильных деформациях детали, когда не выполняется закон Гука, а механическое напряжение в детали сложным нелинейным образом зависит от относительной деформации. Рассмотрим процесс растяжения поликристаллического образца.

Обычно образцу придают форму длинного цилиндра с утолщениями на концах — для закрепо, ления образца. Этот процесс характеризуется механическим напряжением гт, равным отношению приложенной силы Е к площади сечения 5 образца, и относительным удлинением в образца: от Дйа над атомами нижнеи плоскости — в положении В на рис. 2.20. При дальнейшем смещении атомам будет выгодно спуститься в положение С. Таким образом, верхняя плоскость может переместиться на новое положение.

Можно показать (см, далее задачу 2.3), что в случае растяжения образца наибольшие механические напряжения возникают при ориен- ь. Рис. 2.20. Схема пластической деформации кристалла за счет скольжения верхней плоскости атомов относительно нижней 107 ннческого напряжения гз от относительного удлинения я при растяжении образца. Кривая имеет три характерных участка. Участок О-! соответствует упругим обратимым деформациям, когда выполняется закон Гука. Участок 1-2 соответствует необратимым пластическим деформациям; если в точке А о = О, то состояние образца соответствует состоянию в точке В. Участок 2-3 соответствует разрушению образца.

Часто вблизи точки ! кривая имеет «зуб текучести» вЂ” пунктирная кривая на рис. 2А9. Его происхождение связано с точечными дефектами, которые скапливаются вблизи дислокаций. В таких местах уменьшаются деформация и плотность энергии вблизи дислокации, вследствие чего дислокацию труднее сдвинуть при пластической деформации на новое место, где ее энергия будет больше. Величину о, отвечающую точке 1, называют пределом текучести и„, а отвечающую точке 2, — пределом прочности а,.

Попытки вычислить предел текучести без учета дислокаций приводили к завышенным на 2-4 порядка значениям. Рассчитаем предел текучести для модельной кристаллической решетки при деформации сдвига. Для этого рассмотрим механизм пластической деформации. Эксперименты показывают, что при пластической деформации изменение формы тела происходит в первую очередь вдоль плоскостей скольжения — атомных плоскостей, наиболее густо заселенных атомами.

Пример такой плоскости приведен на рис. 2.20. Если к верхней плоскости приложить тангенциальную составляющую силы, то атомы сместятся и появится сила упругости, равная приложенной. С этой силой связана энергия деформации, которая будет возрастать до тех пор, пока атомы верхней плоскости не окажутся тации нормали плоскости скольжения под углом 45' к направлению действия силы. Именно вдоль нее начнется проскальзывание плоскостей. Следы таких проскальзываний после пластической деформации хорошо видны в виде ступенек на поверхности совершенных монокристаллов.

Чтобы оценить силу, необходимую для сдвига верхней плоскости относительно нижней (см. рис. 2.20), воспользуемся зависимостью напряжения сдвига а„от координаты х смещения атомов верхнего слоя относительно их положения равновесия. Зависимость и, (х) можно приближенно описать синусоидой с периодом а и амплитудой Са l(2М). Амплитуду этой синусоиды можно вычислить, учитывая, что согласно (1.57), в области малых х и 10; х11 пм (х) Се С тангенс наклона синусоиды должен быть равен х х Тогда Са, 2~тх 2тЫ а (2.17) Зависимость и, (х) принимает максимальное значение при а х= —.

При расчете по формуле (2.17) максимальное значение 4 а,д(х) на 2 — 4 порядка больше значений, наблюдаемых экспериментально. Причиной такого сильного расхождения является предположение об одновременном смещении всех атомов верхней плоскости относительно нижней (см. рис. 2.20). Однако смещение верхней полуплоскости на одно межатомное расстояние может произойти за счет движения дислокации (см. рис. 2.9). Для такого смещения потребуется намного меньшая сила, поскольку при смещении происходит не одновременный разрыв всех атомных связей, а разрыв связей только вблизи дислокации. Уместно привести следующие аналогии из области механики.

Например, очень трудно порвать лист бумаги, когда он скручен в трубочку и его растягивают вдоль ее оси, порвать же этот лист, как обычно, очень легко, поскольку в первом случае приходится разорвать все связи между частицами листа сразу, а во втором — постепенно. Также трудно слегка сместить ковровую дорожку, лежащую на полу, потянув ее за конец, поскольку этому противодействует сила трения всей дорожки о пол. Однако сместить эту 108 дорожку при наличии на ней складки пу- от тем ее перемещения очень легко, так как при этом возникает трение лишь на малом участке. С помощью механизма пластической деформации можно объяснить наблюдаемые экспериментально значения пределов текучести и, и прочности п„а О Рд также рост зависимости а(е) на участке Рис. 2.21. Типичная зави- 1-2 (см.

рис. 2.19). При пластической де- симость предела текуче- формации сначала перемещаются менее сти от плотности дислозакрепленные дислокации, затем более калий закрепленные. Также увеличивается число дислокаций и прочих дефектов, которые дополнительно тормозят движение дислокаций и увеличивают механическое напряжение, необходимое для деформации. Предел текучести зависит от плотности дислокаций в материале (рис. 2.21) и оказывается высоким как при очень малых плотностях дислокаций р,, так и при больших плотностях дислокаций. Увеличение предела текучести при больших значениях р, связывают с взаимодействием дислокаций между собой и с другими дефектами кристаллической решетки.

Пути увеличения прочности материалов. В настоящее время используют ряд способов увеличения прочности материалов, позволяющих достигать предела прочности около 0,01С; большинство из них основано на введении дополнительных препятствий движению дислокаций. Такими препятствиями являются различные дефекты: 1) выделения другой фазы (см.

2.3); 2) точечные дефекты и их скопления (в частности, рассмотренная выше «шуба дислокации»); 3) большое число дислокаций, тормозящих движение дислокаций за счет их взаимодействия; 4) ближний порядок в расположении атомов. Во многих сплавах наблюдается явление, называемое ближним порядком, когда атом одного типа стремится окружить себя преимущественно атомами другого типа, поскольку при этом достигается меньшая энергия сплава.

При движении дислокации разрываются энергетически более выгодные связи между атомами, а формируются менее выгодные. На зто требуется большая энергия, что приводит к увеличению усилий, необходимых для смещения дислокации, и, в конечном счете, к повышению прочности материала. 109 В технике часто используют наклеп материала — увеличение прочности материала за счет повышения в нем плотности дислокаций после деформации. При повышении прочности материалов за счет торможения движения дислокаций дефектами, хотя значительно и увеличивается прочность, но, как правило, сильно уменьшается пластичность материала. Прочность кристаллов может быть большой и при особо малой плотности дислокаций, когда затруднена деформация кристалла по механизму пластической деформации.

Характеристики

Список файлов книги